一种神经科学方法在学生运动员脑震荡检测中的应用

摘要

个体发生脑震荡的风险及其相应的恢复情况存在显著差异。因此，有必要采用多方面的综合方法来评估脑震荡，包括运动员在参与体育运动前的基线测试以及受伤后的及时评估。本方案的目标是提供一种恰当的、多方面的综合方法，用于脑震荡的检查与评估。

摘要

脑震荡在美国的发生率正以惊人的速度上升，已成为一个严重的公共卫生问题。美国疾病控制与预防中心（CDC）估计，每年在体育运动和休闲活动中会发生160万至380万例脑震荡。根据2013年《脑震荡共识声明》的定义，“脑震荡可能由头部、面部、颈部或身体其他部位受到直接撞击引起，这种撞击以‘冲动性’力量传递至头部所致。”脑震荡会给个体带来短期和长期的多种影响。运动相关脑震荡的短期影响可能包括运动能力下降、意识混乱、记忆障碍、意识丧失、反应时间减慢、协调能力下降、头痛、头晕、呕吐、睡眠模式改变以及情绪变化。这些症状通常在数天内缓解。然而，尽管部分个体能从一次脑震荡中迅速恢复，但许多人会出现持续数周甚至数月的遗留症状。目前，关于脑震荡易感性及其后续恢复时间的相关因素尚不明确或未被充分理解。已有研究提出多种可能因素，包括个体的脑震荡病史、初始损伤的严重程度、偏头痛史、学习障碍史、精神疾病共病史，以及可能存在的遗传因素。许多研究已分别探讨了这些因素对脑震荡短期和长期影响、恢复过程、易感性及恢复能力的作用。但目前尚未明确建立一种有效的多维度脑震荡评估方法，以获取与病因、功能变化及恢复过程相关的重要信息。本文的目的在于介绍一种此类多维度方法，该方法结合计算机化神经认知测试、事件相关电位、躯体感觉知觉反应、平衡评估、步态评估以及基因检测来综合研究脑震荡。

引言

脑震荡在美国的发生率正以惊人的速度上升，已成为备受关注的公共卫生问题。^1-3 美国疾病控制与预防中心（CDC）估计，每年在体育运动和休闲活动中会发生160万至380万例脑震荡。^4,5 根据2013年脑震荡共识声明²的定义，“脑震荡可能由头部、面部、颈部或身体其他部位受到直接撞击，或受到‘冲动性’力量传递至头部所引起。” 脑震荡可能导致神经病理学和/或亚结构改变，从而引发功能障碍。² 这些功能缺陷可能持续数周。运动员在初次受伤后即使已过14天，仍常报告症状加重、姿势控制能力下降以及神经认知功能减退。⁶ 症状持续时间较长、脑震荡识别不一致以及伤前能力差异等因素，常常导致医生在决定是否恢复运动时面临复杂且非标准化的判断，恢复时间不确定，并可能产生长期后遗症。^7-9

脑震荡后，个体可能会出现短期和长期的影响。运动相关性脑震荡的短期影响可能包括运动能力改变、意识混乱、记忆障碍、意识丧失、反应时间减慢、协调能力下降、头痛、头晕、呕吐、睡眠模式改变以及情绪变化。这些症状通常在数天内自行缓解。^2,10 然而，尽管部分个体在单次脑震荡后恢复较快，但许多人会出现持续性症状，可持续数周甚至数月。^10,11,12 这些对日常功能造成影响的症状可通过认知功能和表现相关的测试进行量化评估。虽然单一测试不应作为脑震荡诊断的唯一依据，但一系列测试及其相互之间的已知关联可协助医务人员做出诊断，并制定重返课堂和重返运动的决策。²

个体发生脑震荡的风险及其相应的恢复情况存在很大差异。¹¹ 目前对影响脑震荡易感性和恢复时间进程的因素尚不明确或未被充分理解。已有研究提出多种可能影响个体脑震荡易感性和恢复能力的因素，包括个体的脑震荡病史、初始损伤的严重程度、偏头痛病史、学习障碍病史、精神疾病共病史以及可能的遗传因素。^{7, 9, 13, 14}

许多研究已分别探讨了脑震荡的短期和长期影响、恢复过程以及遗传因素对脑震荡的作用。^4,8,15-17 目前尚未明确建立一种有效的多维度脑震荡评估方法，以提供与脑震荡病因、功能变化及恢复相关的重要信息。由于脑震荡症状多样且恢复时间进程不确定，有必要采用多维度的评估方法，这应包括运动员在参与训练和比赛前的基线测试，以及受伤后的及时评估。最近的一项综述表明，神经认知评估可能比单纯监测症状更能敏感地反映脑震荡的恢复情况。¹⁸ 可能还存在其他客观指标，能更准确地反映脑震荡的恢复状态。

在本方案中，我们采用多种任务来评估该系统的不同组成部分，以观察其在脑震荡后受到的影响。计算机化的神经认知测试可用于评估记忆、信息处理速度、解决问题的能力、认知效率以及冲动控制能力。⁶ 通过听觉和视觉处理任务结合脑电图（EEG），可借助事件相关电位分析来评估神经效率。¹⁹ 体感分辨任务可用于评估外周和中枢感觉处理能力。²⁰ 平衡与步态测量可用于评估功能表现能力。^6,21 此外，我们还评估多种可能与脑震荡史、脑震荡恢复及认知功能相关的基因型。²² 我们对校队学生运动员在无症状基线状态下进行上述测试组合的评估，并在其发生脑震荡且症状消失后重复测试。

本项目旨在通过基因、神经认知、电生理、行为、躯体感觉、平衡和步态等指标，评估脑震荡导致的潜在短期和长期功能下降。了解可能与脑震荡发生时出现的各种症状和功能障碍相关的潜在机制，对于深入认识脑震荡具有重要意义。未来，对这些变化的更深入了解可能有助于脑震荡的诊断，以及与恢复运动和恢复学业相关的脑震荡管理。

以下所述所有测量均在基线水平（运动员参与运动前）进行。我们目前的方案是在48小时时同时完成计算机化神经认知测试和平衡功能测试，因为我们认为这些测试可为恢复情况以及是否可以恢复运动和恢复学业提供有用的信息。当运动员报告无症状后，需再次返回实验室，除基因检测外，所有基线水平的测量将再次进行。完整的测试流程（包括基线水平和无症状时的测试）在一个测试周期内大约需要90分钟完成。

方案

以下所述所有程序均已获得艾隆大学机构审查委员会的批准。

1. 计算机化神经认知测试

1. 请参与者在计算机前就座。为参与者登录系统，并指导其完成计算机化的神经心理学测试，该测试包括人口统计学和背景信息部分、自报症状清单，以及6个模块（词语辨别、图形记忆、X与O、符号匹配、颜色匹配和三字母任务）。
2. 下载汇总报告，并录入言语记忆、视觉记忆、反应时间和运动处理速度这四项综合评分。

2. 事件相关电位

1. 使用卷尺测量头围，以确定应使用的脑电图（EEG）网帽的尺寸。通过测量解剖标志点来确定脑电图网帽的放置位置。
2. 将脑电图网帽浸入氯化钠与婴儿洗发液的混合溶液中，持续5分钟。
3. 将脑电图网帽戴在受试者头部。我们使用的系统包含32个通道。
4. 在计算机上检查各电极点的阻抗水平。对于本系统，阻抗低于100 kohm即视为可接受。
5. 向受试者解释认知任务内容，并让其对每一项任务进行练习。
   1. 听觉oddball任务：指导受试者佩戴耳机，并在桌旁舒适就坐。告知其将听到一系列低频和高频声音，并要求其在听到高频声音时，尽快且准确地通过点击按钮作出反应。
   2. Flanker任务：指导受试者坐在计算机屏幕前，屏幕上将呈现一系列箭头。要求受试者根据中间箭头的方向，若其指向左侧，则尽快且准确地点击鼠标左键；若指向右侧，则点击鼠标右键。 
6. 指导受试者完成听觉oddball任务和Flanker任务各两次试验。
7. 从受试者头上取下脑电图网帽，并将其浸入杀菌消毒剂中清洗10分钟。

3. 体感知觉反应

1. 让受试者舒适就座，左手掌面朝下置于感觉刺激装置上，手指沿设备轮廓放置，使第二和第三指的 padded tips 与刺激探头接触。²³
2. 要求受试者在计算机显示器上查看与任务相关的指令和提示，并使用双按钮计算机鼠标输入反应。共呈现5种不同的测试：2种简单的单部位反应时间任务、一种双部位振幅辨别任务²⁴、一种带有单部位适应刺激的双部位振幅任务²⁴，以及一种时间顺序判断任务²⁵。
3. 每次测试开始前，计算机上的提示将指导受试者完成练习试验，以熟悉任务流程。每次测试后，计算机会向受试者提供表现反馈（例如：正确；错误）。

4. 平衡方案

1. 指导受试者穿上防滑袜，然后站在平衡系统上以熟悉仪器。
2. 指导受试者以舒适姿势站立，使压力中心点与屏幕上的中心点对齐。研究人员需记录该舒适起始位置，以确保所有测试在设备上站立时采用相同的足部位置。
3. 要求受试者在四种条件下各站立 30 秒（睁眼/硬质表面、闭眼/硬质表面、睁眼/软质泡沫表面、闭眼/软质泡沫表面）。每种条件之间给予 10 秒休息时间，每次记录开始前提供 3 秒倒计时。
4. 在完成次要任务的同时重复每种条件。指导受试者从一个随机给出的三位数开始，以 7 为单位倒数（e.g., 843）。
5. 记录每种条件下的摆动指数得分（即摆动幅度的标准差）以及压力中心数据，供后续进一步分析使用。

5. 步态评估

1. 使用便携式、长15英尺、内置压力传感器的地毯式步态分析系统评估受试者的步态，该系统在整个地毯长度范围内均布有压力传感器，用于检测受试者的足部触地情况。
2. 要求受试者从距离步态分析地毯起点前3英尺处开始，以舒适的速度赤脚行走，穿过地毯，并在离开地毯后继续行走3英尺，共重复五次。
3. 指导受试者在完成五次额外行走试验的同时，从一个随机的三位数开始，以每次减7的方式进行倒数，作为并发的认知双任务。
4. 步态分析输出的因变量包括多个时空参数（如速度、步频和步长）的绝对值及其变异性指标。

6. 遗传学

1. 请受试者小心地从无菌容器中取出拭子棒（注意仅触碰拭子棒的柄部），将拭子放入其口腔内，并用力在两侧颊部内侧各擦拭 20 秒，共计 20 秒。
2. 将拭子棒交给佩戴乳胶或丁腈手套的技术人员。仅持握拭子棒的柄部，然后将拭子头部放入一个无菌的 1.7 ml 离心管中（管上仅标注识别编号），并立即将离心管置于冰上。
3. 在 24 小时内将样本转移至 -20 °C 冰箱中保存。
4. 按照制造商提供的说明书，使用标准 DNA 纯化试剂盒提取 DNA。为获得更高浓度的样本，提取后可进行异丙醇沉淀步骤，并将 DNA 重悬于 20 µl 的 EDTA 缓冲液（pH 8.0）中。
5. 将提取的 DNA 储存在 -80 °C 下，直至使用带荧光标记的标准聚合酶链式反应（PCR）检测进行基因分型分析。
6. 通过 PCR 软件进行基因型“判读”，然后通过查看 PCR 扩增曲线图进行人工复核确认。

结果

计算机化神经认知测试

计算机化神经认知测试结果的示例如图1所示。该计算机程序可生成言语记忆、视觉记忆、视觉运动速度和反应时间的综合评分，这些评分常用于制定脑震荡后的重返运动和重返学习管理方案。言语记忆和视觉记忆综合评分用于评估注意力过程、学习和记忆功能。视觉运动速度测量视觉信息处理、学习与记忆以及视觉运动反应速度（ImPACT临床解释手册）。测试结果还列出测试当时的总症状评分、冲动控制评分和认知效率指数。冲动控制评分与测试过程中产生的错误数量相关，可能有助于结果解读。认知效率指数旨在衡量反应速度与准确性的权衡关系。若学生运动员发生脑震荡，需在受伤后48小时且无症状时返回复查。根据恢复时间的长短，可能要求其再次完成评估以监测恢复情况。通常认为，脑震荡后，一项或多项综合评分将出现显著下降，并在症状消失且恢复至基线水平时恢复正常，此变化常被作为允许重返运动和重返学业的指标之一。

事件相关电位

讨论

这种多维度基线脑震荡检测方法的目标有两个：1）更深入地了解脑震荡（急性期和长期）对神经肌肉系统的影响；2）帮助运动医学团队做出运动员是否可以恢复训练和比赛的决策（目前主要采用神经认知测试，正如McCrory所建议的那样）。²⁶ 这种多方面的脑震荡评估方法提供了有关脑震荡病因、功能变化及恢复过程的宝贵信息。目前对于脑震荡对整个系统的综合影响尚缺乏充分认识，而本方案使来自不同学科的科研人员不仅能够从各自专业角度研究脑震荡的影响，还能合作探讨微小变化如何影响多个系统或行为的各个方面。

这种多学科方法的意义在于更好地了解哪些系统可能受损以及损伤后的恢复时间进程。本方案目前被用于协助制定重返运动和重返学习的决策，并积累数据以确定哪些指标有助于判断损伤和恢复情况。这种多学科方法使研究人员能够理解某一特定领域的功能缺陷，以及这些缺陷可能如何影响行走或维持平衡稳定性等重要功能活动。

本研究采用的方法为运动员在大学生涯初期提供客观系统的测试，以便在发生损伤时能够以良好的基线数据来评估恢复情况。该方案中对医疗团队最有价值的部...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
ImPACT	ImPACT, 宾夕法尼亚州匹兹堡		神经认知脑震荡测试
EEG	EGI, 俄勒冈州尤金		32通道脑电图系统
Stim2	Compumedics Neuroscan, 北卡罗来纳州夏洛特		用于执行冲突任务和听觉oddball任务的刺激呈现软件
NetStation	EGI, 俄勒冈州尤金		脑电数据采集与分析软件
感觉测试设备	Cortical Metrics		感觉功能测试
Balance System SD	Biodex Medical Systems, Inc., 纽约州雪莉		平衡功能测试
GAITRite	CIR systems, Inc., 新泽西州斯巴达, 美国		步态分析
PCR	Applied Biosystems, 加利福尼亚州福斯特城		基因分析
Matlab	Mathworks, 马萨诸塞州纳提克, 美国		步态与平衡分析